煤矿井下排水系统多功能调节阀的研究

郭建帮

（同煤集团虎龙沟煤业公司， 山西 怀仁 038399）

引言

随着国民经济的发展及煤炭开采技术的不断进步，煤炭生产企业不断的增加对煤炭的开采量和开采力度，为了将开采过程中产生的积水及时排出，这就使煤矿对井下排水设备的需求量不断地增加，调节阀作为水泵的核心元件，其工作情况直接影响着排水系统的运行。传统煤矿井下排水系统所使用的电动调节阀、液动调节阀普遍存在着成本高、结构复杂、可靠性差、调节性能差的缺点，因此本文在深入研究井下排水系统安全运行需要的基础上，提出了一种新的多功能调节阀[1]。

1 多功能调节阀的结构及原理

新型的多功能调节阀主体结构主要包括外管路和主阀芯，主阀芯又由直流结构的主阀腔和依靠阀门进、出口处的压力差实现对阀板运动进行控制的控制腔组成，调节阀外管路由过滤器、止回阀及球阀组成，其中球阀主要是通过调整阀板的运行方式来实现对阀门开、合速度的控制，止回阀主要用于节流，确保阀门在开启时保持时间能大于控制电机的启动时间，从而避免电机带负载启动，能够极大地延长电机的使用寿命，而且多功能调节阀的阀板为不同规格的双板结构，能够确保在水泵启动时缓慢打开、水泵停止时缓慢关闭，在这个过程中完全依靠阀体进、出口处的压差来实现控制，无需其他电动或者液动控制装置的辅助[2]，其结构如图1所示。

图1 多功能调节阀结构示意图

该新型多功能调节阀在工作时，在排水泵开启前，调节阀出口处的压力直接作用在阀体的阀板上，将阀门关闭，这个时候膜片控制器的上端连通外界的压力水，下端和阀门进口处的低压相连通。当排水泵启动以后，阀门进口处的水压慢慢升高，与此同时上侧压力水从阀门进口位置的连接管进入到膜片控制器的下端。当排水泵关闭后，阀体进口位置的压力逐渐减小，当其流量降低到一定值之后，阀体的阀板利用自身的自重实现快速闭合，这个时候由于阀体进口位置的压力变小，阀体出口位置的压力水就经过连接管流入膜片控制器上端，此时下端的水就通过阀体进口位置的连接管回到阀体的进口位置，将阀板慢慢关闭[3]，其关闭的速度可以利用控制阀进行控制。

2 多功能调节阀的建模

利用Creo三维软件对多功能调节阀进行三维建模，Creo三维软件是一种可伸缩、可互操作、开放且易于使用的机械设计应用程序[4]，能够方便对调节阀的一些关键零件尺寸进行调整，其三维建模结构如下页图2所示。

为了对调节阀的性能进行更深入分析，我们利用FLUENT流体分析软件创建了多功能调节阀的流体流道模型，如下页图3所示，根据实际的多功能调节阀三维尺寸模型，我们将流道直径设置为180mm，将阀体座通流直径设置为160mm，阀板的最高高度设置为90mm，将阀板与水平轴线最大倾角设置为50°，同时为了确保阀体进出口处的边界条件符合实际情况，在利用流体分析软件进行建模的时候我们在阀体进口、出口位置均增加了1个相同直径的管道，用来确保流体在进入阀体时候的稳定性。同时因阀体出口段管道受流体流动的影响要远大于阀体进口段的管道，为了确保仿真分析结果的准确性，在出口段管路的长度调整为阀体长度的约2倍，约1000mm。

在进行网格划分时，为了确保分析结果的准确性，我们采用结构网格划分的方法，在结合部位对网格进行重构，采用这种将非网格划分和结构网格划分的方法，不但极大的减少了划分网格的总数量也极大的提高了网格划分的品质，如图4所示，阀体流道进出口的位置采用的是结构网格划分方案，其他部分采用的即为非结构网格划分的方案，在此网格划分中，所采用的最差网格品质为0.82，满足整体网格的划分要求[5]。

图2 多功能调节阀三维模型

图3 阀体流道模型

图4 阀体流道的网格划分

3 三维仿真分析

将划分好网格的流道模型导入FLUENT流体分析软件，并设置好相关控制参数，对其进行仿真分析，图5所示为阀板的压力监测曲线，其在分析过程中阀板的压力逐渐趋于稳定，说明了分析结果的收敛性，证明了仿真分析结果的有效性。

图6、图7分别为阀体在完全开启的状态下管道截面上的压力和速度云图，从图6可以看出在液体流动的过程中，压降主要发生在阀体内部截面积发生突变的地方，在阀体出口段的弯道处负压值相对较小，在此次容易发生汽蚀现象，需进一步加强。从图7可知，流体在阀体内部流动时，在阀板的左侧和出口位置交汇处，会产生两个旋涡，导致水流的能量损耗。

图5 阀板的压力变化曲线

图6 管道截面上的压力（Pa）云图

图7 管道截面上的速度（m/s）云图

4 结语

本文提出的多功能控制阀门系统，不仅克服了传统调节阀的缺点，而且具有调节性好、操作简单、可靠性高的优点，极大地提高了井下排水系统运行的可靠性，对确保煤炭企业安全生产具有十分重要的作用。